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MIT研究新發現:僅憑可見光就可油水分離?

MIT研究新發現:僅憑可見光就可油水分離?

麻省理工學院的研究人員們研發了一種非常新穎的體系,它可以只通過可見光就能控制流體在表面上的運動路線。

來自 | SCI NEWS
編譯 | 周詩雨

麻省理工學院機械工程副教授劑及文章高級作者Kripa Varanasi,在Nature Communications雜志上對這一新技術進行闡述時表示:“我們受到太陽能光伏技術工作的啟發,利用染料的敏化來提高太陽輻射的吸收效率?!?/span>

該團隊最開始的目標是尋找油水分離的方法,例如處理某些油井生產的水油泡沫混合物。

在處理這些水油混合物時,人們有時會采用靜電法,但是當水的含鹽度特別高時,這種方法非常耗能,而通?,F實中又常常如此。因此,瓦拉納西博士和他的伙伴換了一個研究方向,利用界面的“光敏”性(通過曝光量的不同,可以改變界面對水的響應)來達到油水分離這一目的。

MIT研究新發現:僅憑可見光就可油水分離?

NaCl溶液液滴的光誘導聚結變化圖。將氯化鈉溶液液滴置于浸在十二烷中的二氫卟吩染料敏化的二氧化鈦表面上,比例尺:1cm

通過制作一個能夠與水進行相互作用的界面,則可以利用光改變界面的潤濕性。研究人員們發現,通過結合獨立的水滴,并在表面鋪開,可以直接將油從水中分離開來。水滴之間彼此融合得越好,與油的分離程度也就越高。

針對光敏材料的研究和應用非常廣泛。其中一個最常見的例子,就是大多數防曬劑中使用的活性成分—二氧化鈦(TiO2)。

但是包括TiO2在內的大多數光敏材料,主要是對紫外線產生響應,對可見光的響應幾乎沒有。然而,只有約5%的陽光在紫外線的范圍內。

針對這一問題,研究人員找到了一種通過對TiO2表面進行處理,使其能夠響應可見光的方法。在這一方法中,首先,他們利用逐層沉積技術在玻璃層上建立起一層高分子擔載TiO2顆粒膜。然后,研究團隊利用簡單的有機染料對材料進行了浸涂。這樣得到的表面對可見光非常敏感,當暴露在陽光下時,潤濕性的改變幅度則遠遠大于只使用TiO2時的幅度。

該材料可以對太陽光產生響應,也被證明是非常有效的油水混合物的“破乳劑”—能夠使水油之間彼此分離。瓦拉納西博士說:“染料與TiO2顆粒的耦合能夠在光照下產生電荷載體。在照明時,表面和液體之間會建立起一個電位差,并導致潤濕性的改變?!?/span>

堪薩斯大學助理教授,Gibum Kwon博士補充說:“鹽水會在照明下分散在我們制作的這個表面上,但油不會。我們發現,幾乎所有的海水都會在表面上分散開來,并在可見光下與原油分離?!?/span>

如同團隊在一系列實驗中所展示的,同樣的效應也可用于驅動水面上的水滴。

通過移動光束,可以有選擇性地改變材料的潤濕性。這種方法可以以很高的精度將液滴向任何方向驅動,因此可以將液滴驅向潤濕性更好的區域。這樣的系統被設計成沒有內置邊界或結構的微流體裝置。液體的運動—例如診斷芯片實驗室中的血液樣品—將完全由投射到其上的照明模式所控制。

瓦拉納西博士說:“通過系統地研究染料的能量水平和接觸液體的潤濕性之間的關系,我們提出了這些光束引導液體操縱系統的設計框架。

“通過選擇正確的染料,我們可以很大程度地去改變液滴的動力學。它是一種光誘導運動,是一種不接觸液滴的運動?!?/span>

這種可切換潤濕性的表面還有另一個好處—很大程度上,它們可以實現自我清潔。當表面從吸水性變為排水性時,表面上的任何水都會被排出,并攜帶走一切可能堆積起來的污染物。

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